发电厂动力部分结课论文
可燃冰发电与锅炉改造技术研究及在我国火力发电
应用发展
学生姓名：学 号：班 级：指导教师：
2012年 10月25日
摘要：可燃冰（天然气水合物）是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。随着世界能源紧缺，利用可燃冰发电将来可能成为未来发电的趋势，本文通过对可燃冰简绍、燃气锅炉与燃煤锅炉对比、可燃冰技术发电技术论述、小型燃煤锅炉改造为燃气锅炉几个方面对可燃冰发电进行了论述。可将现有的燃煤锅炉转化为燃冰锅炉节省成本，可实现环境保护与能源的合理利用。
关键词：无污染 效率高 储量丰富 多种需求
Abstract ：Combustible ice (natural gas hydrate ) in twentieth Century is the scientific research in the discovery of a new mineral resources. Natural gas hydrate is convenient to use, high combustion value, clean without pollution. Along with the world the sources of energy in short supply, utiliz ation of combust ible ice generating fut ure may become the next generat ion of the trend, this article through to the combust ible ice Jane Shao, gas fired boiler and coal fired boiler cont rast, combust ible ice t echnology power generat ion t echnology is discussed, and small transformat ion of coal-fired boiler to gas-fired boiler on several aspects of combustible ice generating are discussed. The exist ing coal-fired boiler into burning ice boiler t o save cost, can realiz e t he environment al prot ect ion and rat ional use of energy.
Keywords ：Polluti on-free Effi cient Abundant reserve s A variety of demand
前言
天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。
我国可燃冰发前景可观，可以说是天时地利人和，因此用可燃冰发电将成为我国21发电重要支柱。
第一章 可燃冰简绍及在我国的发展前景
1 可燃冰定义
可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形晶莹剔透，与冰相似。天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。 2 可燃冰当代发展及我国的发展情况
天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。
天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。
2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。
可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。
据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。
可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。 作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大， 1993 年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨， 2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、
国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。
2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。
宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430平方公里。
青藏高原发现新能源可燃冰 至少350亿吨油当量
中国国土资源部总工程师张洪涛先生09年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物) 的环保新能源，预计十年左右能投入使用。
在当天的新闻发布会上，张洪涛说，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。
3 可燃冰发电可满足用户多种需求的能源梯级利用
第二章可燃冰燃气锅炉与燃煤锅炉相比优越性
1 燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性
1.1由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。使用燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染。
1.2燃气锅炉的炉膛容积热强度较高；由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等) 的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。
1.3在节约锅炉设备投资方面；
1）燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小、重量轻，设备投资明显减少；
2）燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备；
3）燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化；
4）由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。
1.4在运行、调节及降低供热成本方面；
1) 燃气锅炉的供热负荷适应性强，在系统内调节灵活。
2) 系统启动快，减少预备工作带来的各种消耗。
3) 由于附属设备少，又无燃料制备系统，因而用电量较燃煤锅炉要低。
4) 不需要加热燃料及燃料烘干所用的蒸汽，蒸汽消耗较少。
5) 燃气内杂质较少，锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀，也不存在结渣的问题，锅炉的连续运行周期长。
6) 燃气计量简单准确，便于燃气供应量的调节。
1.5在减少设备维修、保养方面；
1) 燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。
2) 由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。
根据以上叙述不难看出：燃气锅炉必将以绝对优势把燃煤锅炉赶下历史的舞台。但丛国内外燃气锅炉的具体使用情况来看，还存在一定的问题，必须引起我们高度重视。其中最重要的就是燃气锅炉的防爆问题。
燃气是一种易燃、易爆、有毒性气体，它没有颜色，虽有一定的气味却难以凭嗅觉及时发现。如果燃气漏入停运的炉膛或空气中会引起爆炸。所以燃气管路必须严格捡漏，炉膛内要有必要的联锁保护控制系统，锅炉房要有燃气泄漏监测报警装置和通风设备，采用防爆电器。锅炉应有严格的启动顺序控制系统，燃气锅炉在点火之前必须仔细吹扫炉膛和烟道，排除炉内可能积存的可燃气体。锅炉燃烧器必须安装熄火安全保护装置，一但出现熄火现象，二次点火前也必须进行吹扫并按正常点火程序进行。另外，燃气采用管道输送，无备用燃料，一旦发生燃气管道破裂等问题或燃气压力过低，便会造成停炉事故。随着燃气锅炉的广泛应用和技术设备的日益完善，事故隐患正在逐渐降低，各种安全保护手段已能保证燃气锅炉的运行非常可靠。
燃气锅炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。
第三章 可燃冰发电技术论证
1 可燃冰发电分为集中式和分布式
1.1可燃冰发电分为集中式和分布式，前者是传统的发电方式，后者采用完全 不同于集中式供电的方式，被称为“第二代能源系统”。集中式供电是以大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机 组互联、形成大电网供电的模式，是目前中国主流的天然气发电模 式。
1.2分布式能源是将规模不一的天然气发电和供热制冷等设备加以集成, 分 散式的方式布置在用户附近的能源系统。天然气集中式发电效率高，适用于以发电为主要目的调峰/基荷电厂；分布 式发电效率低，但热电综合效率高，适用于小区域内的工商业和居民能源 供应。集中式发电启停速度快，大型机组度电成本约为 0.7 元（3 元/立方米 气价），用于调峰用途经济性好。分布式发电度电成本约为 1 元，远远高于上网电价，以自用为主；由 于靠近用户便于提供热气，通过热电联供提高机组的经济性。 2 分布式能源系统的应用
分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、 商场、办公楼，都主要使用天然气作为燃料，根据不同的场合使用不同配 置。
2.1工业园区生产型企业居多，一般都具有稳定的电、蒸汽、热和冷负 荷，各项负荷都比较大，可使用热电联产联合循环机组，建设分布式 能源站将有较好的经济性。
图表：工业园区分布式能源示意图
办公大楼各种负荷相对较小，而且随时间变化较大，一般采用微型燃 气轮机或燃气内燃机。一般
图表：公楼燃气内燃机三联供系统流程图
2.2居民社区通常选择燃气内燃机作为动力设备。作为分布式能源站应用 的一种建筑类型，其最大特点就是负荷需求的不定时性。所以，居民社区的分布式能源站需要增加设计蓄能装置。
第四章 小型燃煤锅炉改燃气锅炉分析
1 锅炉热力计算
燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面, 以保证锅炉合理的出力和热效率。燃气锅炉的热力计算主要包括锅炉的热平衡计算、炉膛受热面计算以及对流受热面计算。
1.1锅炉热平衡计算
锅炉系统的热平衡计算是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总相 衡, 并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。对燃气锅炉, 一般以1Nm3气体燃料为基础计算。
锅炉机组热平衡方程：
Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q
式中 Qr ———送入锅炉系统的热量;
Q1 ———锅炉系统的有效热量;
Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 ———锅炉各项损失。
则锅炉效率
ηgl =Q1/Qr×100%
锅炉的燃料消耗量
B=Q1 /(ηglQr) ×100%
1.2炉膛的传热计算
炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热, 由于烟气流速较小, 因而对流换热可忽略。炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面(水冷壁) 的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛布置位置变化较多, 考虑到水循环的可靠性, 可采用偏置炉膛。但偏置炉膛会产生不均匀的烟气流动, 造成对流受热面的浪费, 因此小型燃气锅炉多采用轴对称布置结构。目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。
对于单室炉, 炉膛出口烟温
式中 Ta ———理论燃烧温度, ℃;
M ———经验系数值, 取决于火焰最高温度点的相对位置;
σ0 ———波尔滋曼常数, σ0 =5.67 ×10- 11kWP(m2·K4) ;
Fl ———炉膛面积,m2;
φ———保热系数;
ψ———热有效系数;
Bj ———计算燃料消耗量,Nm3/s
VCpj ———平均比热容,kJ(Nm3·K) 。
具体计算结果见表 1
1.3对流受热面的换热计算
锅炉中的对流受热面是指锅炉管束、过热器、空气预热器等。在这些受热面中, 高温烟气主要是以对流的方式进行放热。由于烟气中含有三原子气体及飞灰, 它们具有一定的辐射能力, 因此除对流放热外, 还要考虑烟气的辐射放热。此外对布置在炉膛出口处的对流受热面, 还需考虑来自炉膛的辐射热量。对流受热面的传热计算采用校核计算方法, 即预先假设受热面的结构特性, 根据工质的入口温度、计算燃料消耗量、烟气入口温度、漏风系数和漏风焓等参数确定各受热面的传热量和烟气、工质的出口温度, 由计算结果校核受热面初始结构是否合理。可按式(5)计算烟气放热量和传热量的误差百分数, 检验某受热面的烟气出口温度的原假定值是否合理以及判断受热面结构是否满足换热要求。
式中 Qrp ———烟气放热量,Qrp =φ(I′- I″) ;
Qcr ———对流传热量,
k ———在某一对流受热量中, 由管外烟气至管内工质的传热系数
Δt ———平均温差;
I ′、I ″———烟气进口焓与出口焓
表2为锅炉两回程传热计算后受热面结构参数。
2 烟风阻力计算
锅炉的通风阻力计算在锅炉热力计算后进行, 是在已知锅炉各部位的烟风温度、烟风量以及结构特性情况下进行的校核计算, 其计算的目的是:计算烟风侧的流动阻力, 校核锅炉结构设计、受热面布置、流速选择的合理性, 保证锅炉经济稳定运行。锅炉烟风系统的流动阻力可分为:沿程摩擦阻力和局部阻力2类, 流动阻力具体计算过程在本文不做介绍, 仅给出计算结果。
见表
3
3 锅炉强度计算
锅炉是一种受热的特殊压力容器, 如果元件的壁厚不足会产生破坏; 另一方面, 不适当地增大受压元件的壁厚, 又会浪费钢材。因此国家劳动部门统一对锅炉受压元件的强度计算进行管理, 制订了锅炉受压元件强度计算标准来规范锅炉的强度设计, 以保证锅炉的安全。校核的部件主要包括:锅壳筒体、前后管板、回燃室、炉胆、安全阀和人孔。
3.1强度计算基本参数的确定
强度计算的目的是确定受压元件的壁厚, 归纳起来元件壁厚是下列参数的函数
S=f ([σ] ,p, T,几何特征尺寸)
在这些参数中, 几何特征尺寸是锅炉设计时确定的,[σ]是构成受压件材料的许用压力, 决定于材料的机械性能和安全系数, 同时也受元件的工作温度T 的影响, p是受压元件强度计算时计算压力，这是强度计算首先确定的基本参数。
3.2强度计算
(1) 承受内压圆筒形元件的强度校核通常规定, 在任何情况下, 锅筒或锅壳的壁厚应
不小于6mm 。对于管子与锅筒或锅壳采用胀接联接的锅炉, 为了保证具有足够的
胀接长度, 锅筒和锅壳的壁厚应不小于12mm 。对于不绝热的圆筒形受压元件, 当
热流自外向内传递时, 筒体内壁的热应力为拉应力, 它将与由内压力在内壁上产
生的工作应力相叠加, 使筒体内壁的工作条件恶化。另外, 由于热应力与内外壁厚
温差成正比, 它随着温差的波动而变化, 这就可能造成低周疲劳破坏。所以从防止
低周疲劳破坏来考虑, 对筒体的壁厚应有所限制。经推导, 不绝热筒体的最大允许壁厚值
式中Dw ———锅筒外直径,mm;
A ———系数, 与锅炉热负荷有关
(2) , 承受外压圆筒形元件的强度校核锅炉中承受外压的圆筒形元件有:卧式锅壳式锅
炉的平炉胆或波形炉胆及立式锅壳式锅炉的直炉胆和冲天管。对于这些承受外
压的圆筒形元件, 如果壁厚较厚而筒径又不很大, 则圆筒具有足够的刚度, 此时在
外压力的作用下, 壁内的应力状态与承受内压力作用时相比, 只是拉应力变为压
应力。当外压力增加时, 壁内应力的绝对值随之增大, 直至相当应力达到材料的屈
服极限值, 圆筒发生全面屈服。经校核计算, 最终确定各承压元件的壁厚, 具体数据
见表4。
第五章 可燃冰发电故障安全保护
1 高水位、低水位报警装置
高低水位报警和低水位连锁保护：在汽包水位过高或过低时发出蜂鸣声，提醒司炉工注意，锅炉程序控制器上显示“极高水位或极低水位”字样。当高水位时锅炉可以自动进行排污，同时切断锅炉补水泵电源，将水位控制在安全区域内；低水位时自动启动锅炉补水泵进行补水，直到正常高水位为止。这种精确的自动控制要求该保护装置必须灵敏可靠。燃气锅炉上常用的水位传感器有浮球式、磁铁式和电极式三种。我单位水位安全装置中的传感器采用电极式，其传感元件电极由于长期与高温炉水或蒸汽接触，电化学腐蚀、结垢等原因使电极端部的导电性能容易被破坏；或电极与水表柱壳之间的绝缘老化使得信号回路短路；或者电气线路由于高温导致断线或接触不良等。这些因素导致水位传感器失灵或误动作。 2 锅炉的超压保护装置
我单位蒸汽锅炉上装配了2个压力控制器：其中1#压力控制器是超压控制器，2#压力控制器是正常工作压力控制器。超压控制器是防护锅炉超压运行。它是利用波纹管弹性元件随着压力的升降而伸长或缩短的变化特性，通过杠杆与拨臂拨动开关，使触点开关断开或闭合，从而达到对压力进行控制的目的。其波纹管弹性元件、电触点、弹簧等元件容易损坏，如果发现不及时则起不到超压保护作用。
3 炉膛安全保护装置
燃烧器采用英国进口的Nu-Way （力威）燃烧器，其特点是能在低压供气状态下（10～300mmbar ）达到工作要求。它的程序控制器十分精细，具备高气压保护、低气压保护、压力测漏装置，测漏程序控制器等安全装置，并且可以全自动检测燃气阀组（燃气紧急切断阀、火种电磁阀等）电磁阀的严密性并提示燃气阀门的密封性。但点火程序控制和熄火保护程序依赖的电眼CDS （火焰监视器）由紫外线光电管和火焰监视集成电路板组成，其电子元件经常使用容易老化失灵从而失去监视火焰的作用，而它们一旦失去作用就有炉膛爆炸的危险。
4 燃气锅炉的安全装置
管理不仅包括以上自动化装置的管理，对于传统的锅炉三大安全装置的管理也不可忽视。对于锅炉传统的安全附件以下几点必须注意：
1. 锅炉的三大安全附件：安全阀、压力表必须定期校验，保证灵敏可靠。特别是安全阀必须经过特种设备监督检验所定期校 验才可以使用，并且使用期间还要定期进行排放操作，以免安全阀阀芯锈死。水位计要班班冲洗。
2. 注意安全阀的选用。在低压锅炉上使用的安全阀一般是弹簧式安全阀，以前曾经有这样的认识：只要安全阀的口径和法兰尺寸一样就可以随便选用。这是不对的。蒸汽锅炉上必须使用全启式安全阀，它具有排放量大、开启迅速、关闭迅速的特点，适合蒸汽锅炉一旦超压能达到迅速泄压的目的。在蒸汽锅炉上不能使用微启式安全阀，以前发现这两种安全阀经常混用。
第六章 结语
1 随着燃气蒸汽锅炉的广泛应用, 各种设计方法将日益完善, 锅炉的结构和技术设备也不断改进, 各种安全保护措施也会日益加强。可燃冰燃气蒸汽锅炉在我国作为一种新生事物正蓬勃发展, 并已显示出极其广阔的应用前景。
2 部分地区燃气分销商投入建设天然气电厂积极性很高，4-5 年可收回成本； 经济发达地区环保要求高，电力集团出于圈地考虑也积极投入天然气发电 项目；关键设备如燃气轮机多为国外厂商垄断，未来边际增量不高，关注能从事天然气分布式能源的设备商。
2.1 40万KW 燃气电厂建设费20亿元（大型电厂 5000 元/千瓦），20% 为自有资金投入为4亿元，建成后电厂可以自负盈亏不用再投入；每立方米管输费 0.3 元，则燃气分销商每年可赚 0.84 亿元，5年左右收回电 厂投入资金。
2.2中国燃气轮机制造水平远落后于世界水平，目前重型燃气轮机和汽轮机 被 GE 、西门子和三菱及其合营厂商垄断，且集中式发电设备市场增长 潜力不大；分布式能源所需要的轻型/微型燃气轮机主要依赖进口，国内 厂商项目经验少，期待“十二五”期间能够国产化。 参考文献
[1] 赵钦新. 燃油燃气锅炉结构设计及图册[M]. 西安:西安交通大学出版社，2001.
[2] 赵钦新, 惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安:西安交通大学出版社，1999.
[3] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社，2003.
[4] 关金峰 发电厂动力部分 中国电力出版社，2007
[5] 袁隆基, 丁 艳 小型燃气蒸汽锅炉的设计研究，煤矿机械第29卷第2期2008
发电厂动力部分结课论文
可燃冰发电与锅炉改造技术研究及在我国火力发电
应用发展
学生姓名：学 号：班 级：指导教师：
2012年 10月25日
摘要：可燃冰（天然气水合物）是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。随着世界能源紧缺，利用可燃冰发电将来可能成为未来发电的趋势，本文通过对可燃冰简绍、燃气锅炉与燃煤锅炉对比、可燃冰技术发电技术论述、小型燃煤锅炉改造为燃气锅炉几个方面对可燃冰发电进行了论述。可将现有的燃煤锅炉转化为燃冰锅炉节省成本，可实现环境保护与能源的合理利用。
关键词：无污染 效率高 储量丰富 多种需求
Abstract ：Combustible ice (natural gas hydrate ) in twentieth Century is the scientific research in the discovery of a new mineral resources. Natural gas hydrate is convenient to use, high combustion value, clean without pollution. Along with the world the sources of energy in short supply, utiliz ation of combust ible ice generating fut ure may become the next generat ion of the trend, this article through to the combust ible ice Jane Shao, gas fired boiler and coal fired boiler cont rast, combust ible ice t echnology power generat ion t echnology is discussed, and small transformat ion of coal-fired boiler to gas-fired boiler on several aspects of combustible ice generating are discussed. The exist ing coal-fired boiler into burning ice boiler t o save cost, can realiz e t he environment al prot ect ion and rat ional use of energy.
Keywords ：Polluti on-free Effi cient Abundant reserve s A variety of demand
前言
天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。
我国可燃冰发前景可观，可以说是天时地利人和，因此用可燃冰发电将成为我国21发电重要支柱。
第一章 可燃冰简绍及在我国的发展前景
1 可燃冰定义
可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形晶莹剔透，与冰相似。天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。 2 可燃冰当代发展及我国的发展情况
天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。
天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。
2007年5月1日凌晨，中国在南海北部的首次采样成功，证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源，标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。
可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规石油天然气资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。
据悉，迄今为止，全球至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。
可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的这套灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。 作为世界上最大的发展中的海洋大国，中国能源短缺十分突出。中国的油气资源供需差距很大， 1993 年中国已从油气输出国转变为净进口国， 1999 年进口石油 4000 多万吨， 2000 年进口石油近 7000 万吨，预计 2010 石油缺口可达 2 亿吨。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、
国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。
2005年4月14日，中国在北京举行中国地质博物馆收藏中国首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式。
宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区，其面积约为430平方公里。
青藏高原发现新能源可燃冰 至少350亿吨油当量
中国国土资源部总工程师张洪涛先生09年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物) 的环保新能源，预计十年左右能投入使用。
在当天的新闻发布会上，张洪涛说，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。
3 可燃冰发电可满足用户多种需求的能源梯级利用
第二章可燃冰燃气锅炉与燃煤锅炉相比优越性
1 燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性
1.1由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。使用燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染。
1.2燃气锅炉的炉膛容积热强度较高；由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等) 的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。
1.3在节约锅炉设备投资方面；
1）燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小、重量轻，设备投资明显减少；
2）燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备；
3）燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化；
4）由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。
1.4在运行、调节及降低供热成本方面；
1) 燃气锅炉的供热负荷适应性强，在系统内调节灵活。
2) 系统启动快，减少预备工作带来的各种消耗。
3) 由于附属设备少，又无燃料制备系统，因而用电量较燃煤锅炉要低。
4) 不需要加热燃料及燃料烘干所用的蒸汽，蒸汽消耗较少。
5) 燃气内杂质较少，锅炉不会发生高、低温受热面的腐蚀，也不存在结渣的问题，锅炉的连续运行周期长。
6) 燃气计量简单准确，便于燃气供应量的调节。
1.5在减少设备维修、保养方面；
1) 燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。
2) 由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件。
根据以上叙述不难看出：燃气锅炉必将以绝对优势把燃煤锅炉赶下历史的舞台。但丛国内外燃气锅炉的具体使用情况来看，还存在一定的问题，必须引起我们高度重视。其中最重要的就是燃气锅炉的防爆问题。
燃气是一种易燃、易爆、有毒性气体，它没有颜色，虽有一定的气味却难以凭嗅觉及时发现。如果燃气漏入停运的炉膛或空气中会引起爆炸。所以燃气管路必须严格捡漏，炉膛内要有必要的联锁保护控制系统，锅炉房要有燃气泄漏监测报警装置和通风设备，采用防爆电器。锅炉应有严格的启动顺序控制系统，燃气锅炉在点火之前必须仔细吹扫炉膛和烟道，排除炉内可能积存的可燃气体。锅炉燃烧器必须安装熄火安全保护装置，一但出现熄火现象，二次点火前也必须进行吹扫并按正常点火程序进行。另外，燃气采用管道输送，无备用燃料，一旦发生燃气管道破裂等问题或燃气压力过低，便会造成停炉事故。随着燃气锅炉的广泛应用和技术设备的日益完善，事故隐患正在逐渐降低，各种安全保护手段已能保证燃气锅炉的运行非常可靠。
燃气锅炉在我国作为一种新生事物正在蓬勃发展，并已显示出极其广阔的发展前景，它将使我们的环境更优美、空气更新鲜、生活更美好。
第三章 可燃冰发电技术论证
1 可燃冰发电分为集中式和分布式
1.1可燃冰发电分为集中式和分布式，前者是传统的发电方式，后者采用完全 不同于集中式供电的方式，被称为“第二代能源系统”。集中式供电是以大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机 组互联、形成大电网供电的模式，是目前中国主流的天然气发电模 式。
1.2分布式能源是将规模不一的天然气发电和供热制冷等设备加以集成, 分 散式的方式布置在用户附近的能源系统。天然气集中式发电效率高，适用于以发电为主要目的调峰/基荷电厂；分布 式发电效率低，但热电综合效率高，适用于小区域内的工商业和居民能源 供应。集中式发电启停速度快，大型机组度电成本约为 0.7 元（3 元/立方米 气价），用于调峰用途经济性好。分布式发电度电成本约为 1 元，远远高于上网电价，以自用为主；由 于靠近用户便于提供热气，通过热电联供提高机组的经济性。 2 分布式能源系统的应用
分布式能源系统的应用范围很广，包括工业园区、学校、机场、居民区、 商场、办公楼，都主要使用天然气作为燃料，根据不同的场合使用不同配 置。
2.1工业园区生产型企业居多，一般都具有稳定的电、蒸汽、热和冷负 荷，各项负荷都比较大，可使用热电联产联合循环机组，建设分布式 能源站将有较好的经济性。
图表：工业园区分布式能源示意图
办公大楼各种负荷相对较小，而且随时间变化较大，一般采用微型燃 气轮机或燃气内燃机。一般
图表：公楼燃气内燃机三联供系统流程图
2.2居民社区通常选择燃气内燃机作为动力设备。作为分布式能源站应用 的一种建筑类型，其最大特点就是负荷需求的不定时性。所以，居民社区的分布式能源站需要增加设计蓄能装置。
第四章 小型燃煤锅炉改燃气锅炉分析
1 锅炉热力计算
燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面, 以保证锅炉合理的出力和热效率。燃气锅炉的热力计算主要包括锅炉的热平衡计算、炉膛受热面计算以及对流受热面计算。
1.1锅炉热平衡计算
锅炉系统的热平衡计算是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总相 衡, 并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。对燃气锅炉, 一般以1Nm3气体燃料为基础计算。
锅炉机组热平衡方程：
Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q
式中 Qr ———送入锅炉系统的热量;
Q1 ———锅炉系统的有效热量;
Q2 、Q3 、Q4 、Q5 、Q6 ———锅炉各项损失。
则锅炉效率
ηgl =Q1/Qr×100%
锅炉的燃料消耗量
B=Q1 /(ηglQr) ×100%
1.2炉膛的传热计算
炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热, 由于烟气流速较小, 因而对流换热可忽略。炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面(水冷壁) 的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛布置位置变化较多, 考虑到水循环的可靠性, 可采用偏置炉膛。但偏置炉膛会产生不均匀的烟气流动, 造成对流受热面的浪费, 因此小型燃气锅炉多采用轴对称布置结构。目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。
对于单室炉, 炉膛出口烟温
式中 Ta ———理论燃烧温度, ℃;
M ———经验系数值, 取决于火焰最高温度点的相对位置;
σ0 ———波尔滋曼常数, σ0 =5.67 ×10- 11kWP(m2·K4) ;
Fl ———炉膛面积,m2;
φ———保热系数;
ψ———热有效系数;
Bj ———计算燃料消耗量,Nm3/s
VCpj ———平均比热容,kJ(Nm3·K) 。
具体计算结果见表 1
1.3对流受热面的换热计算
锅炉中的对流受热面是指锅炉管束、过热器、空气预热器等。在这些受热面中, 高温烟气主要是以对流的方式进行放热。由于烟气中含有三原子气体及飞灰, 它们具有一定的辐射能力, 因此除对流放热外, 还要考虑烟气的辐射放热。此外对布置在炉膛出口处的对流受热面, 还需考虑来自炉膛的辐射热量。对流受热面的传热计算采用校核计算方法, 即预先假设受热面的结构特性, 根据工质的入口温度、计算燃料消耗量、烟气入口温度、漏风系数和漏风焓等参数确定各受热面的传热量和烟气、工质的出口温度, 由计算结果校核受热面初始结构是否合理。可按式(5)计算烟气放热量和传热量的误差百分数, 检验某受热面的烟气出口温度的原假定值是否合理以及判断受热面结构是否满足换热要求。
式中 Qrp ———烟气放热量,Qrp =φ(I′- I″) ;
Qcr ———对流传热量,
k ———在某一对流受热量中, 由管外烟气至管内工质的传热系数
Δt ———平均温差;
I ′、I ″———烟气进口焓与出口焓
表2为锅炉两回程传热计算后受热面结构参数。
2 烟风阻力计算
锅炉的通风阻力计算在锅炉热力计算后进行, 是在已知锅炉各部位的烟风温度、烟风量以及结构特性情况下进行的校核计算, 其计算的目的是:计算烟风侧的流动阻力, 校核锅炉结构设计、受热面布置、流速选择的合理性, 保证锅炉经济稳定运行。锅炉烟风系统的流动阻力可分为:沿程摩擦阻力和局部阻力2类, 流动阻力具体计算过程在本文不做介绍, 仅给出计算结果。
见表
3
3 锅炉强度计算
锅炉是一种受热的特殊压力容器, 如果元件的壁厚不足会产生破坏; 另一方面, 不适当地增大受压元件的壁厚, 又会浪费钢材。因此国家劳动部门统一对锅炉受压元件的强度计算进行管理, 制订了锅炉受压元件强度计算标准来规范锅炉的强度设计, 以保证锅炉的安全。校核的部件主要包括:锅壳筒体、前后管板、回燃室、炉胆、安全阀和人孔。
3.1强度计算基本参数的确定
强度计算的目的是确定受压元件的壁厚, 归纳起来元件壁厚是下列参数的函数
S=f ([σ] ,p, T,几何特征尺寸)
在这些参数中, 几何特征尺寸是锅炉设计时确定的,[σ]是构成受压件材料的许用压力, 决定于材料的机械性能和安全系数, 同时也受元件的工作温度T 的影响, p是受压元件强度计算时计算压力，这是强度计算首先确定的基本参数。
3.2强度计算
(1) 承受内压圆筒形元件的强度校核通常规定, 在任何情况下, 锅筒或锅壳的壁厚应
不小于6mm 。对于管子与锅筒或锅壳采用胀接联接的锅炉, 为了保证具有足够的
胀接长度, 锅筒和锅壳的壁厚应不小于12mm 。对于不绝热的圆筒形受压元件, 当
热流自外向内传递时, 筒体内壁的热应力为拉应力, 它将与由内压力在内壁上产
生的工作应力相叠加, 使筒体内壁的工作条件恶化。另外, 由于热应力与内外壁厚
温差成正比, 它随着温差的波动而变化, 这就可能造成低周疲劳破坏。所以从防止
低周疲劳破坏来考虑, 对筒体的壁厚应有所限制。经推导, 不绝热筒体的最大允许壁厚值
式中Dw ———锅筒外直径,mm;
A ———系数, 与锅炉热负荷有关
(2) , 承受外压圆筒形元件的强度校核锅炉中承受外压的圆筒形元件有:卧式锅壳式锅
炉的平炉胆或波形炉胆及立式锅壳式锅炉的直炉胆和冲天管。对于这些承受外
压的圆筒形元件, 如果壁厚较厚而筒径又不很大, 则圆筒具有足够的刚度, 此时在
外压力的作用下, 壁内的应力状态与承受内压力作用时相比, 只是拉应力变为压
应力。当外压力增加时, 壁内应力的绝对值随之增大, 直至相当应力达到材料的屈
服极限值, 圆筒发生全面屈服。经校核计算, 最终确定各承压元件的壁厚, 具体数据
见表4。
第五章 可燃冰发电故障安全保护
1 高水位、低水位报警装置
高低水位报警和低水位连锁保护：在汽包水位过高或过低时发出蜂鸣声，提醒司炉工注意，锅炉程序控制器上显示“极高水位或极低水位”字样。当高水位时锅炉可以自动进行排污，同时切断锅炉补水泵电源，将水位控制在安全区域内；低水位时自动启动锅炉补水泵进行补水，直到正常高水位为止。这种精确的自动控制要求该保护装置必须灵敏可靠。燃气锅炉上常用的水位传感器有浮球式、磁铁式和电极式三种。我单位水位安全装置中的传感器采用电极式，其传感元件电极由于长期与高温炉水或蒸汽接触，电化学腐蚀、结垢等原因使电极端部的导电性能容易被破坏；或电极与水表柱壳之间的绝缘老化使得信号回路短路；或者电气线路由于高温导致断线或接触不良等。这些因素导致水位传感器失灵或误动作。 2 锅炉的超压保护装置
我单位蒸汽锅炉上装配了2个压力控制器：其中1#压力控制器是超压控制器，2#压力控制器是正常工作压力控制器。超压控制器是防护锅炉超压运行。它是利用波纹管弹性元件随着压力的升降而伸长或缩短的变化特性，通过杠杆与拨臂拨动开关，使触点开关断开或闭合，从而达到对压力进行控制的目的。其波纹管弹性元件、电触点、弹簧等元件容易损坏，如果发现不及时则起不到超压保护作用。
3 炉膛安全保护装置
燃烧器采用英国进口的Nu-Way （力威）燃烧器，其特点是能在低压供气状态下（10～300mmbar ）达到工作要求。它的程序控制器十分精细，具备高气压保护、低气压保护、压力测漏装置，测漏程序控制器等安全装置，并且可以全自动检测燃气阀组（燃气紧急切断阀、火种电磁阀等）电磁阀的严密性并提示燃气阀门的密封性。但点火程序控制和熄火保护程序依赖的电眼CDS （火焰监视器）由紫外线光电管和火焰监视集成电路板组成，其电子元件经常使用容易老化失灵从而失去监视火焰的作用，而它们一旦失去作用就有炉膛爆炸的危险。
4 燃气锅炉的安全装置
管理不仅包括以上自动化装置的管理，对于传统的锅炉三大安全装置的管理也不可忽视。对于锅炉传统的安全附件以下几点必须注意：
1. 锅炉的三大安全附件：安全阀、压力表必须定期校验，保证灵敏可靠。特别是安全阀必须经过特种设备监督检验所定期校 验才可以使用，并且使用期间还要定期进行排放操作，以免安全阀阀芯锈死。水位计要班班冲洗。
2. 注意安全阀的选用。在低压锅炉上使用的安全阀一般是弹簧式安全阀，以前曾经有这样的认识：只要安全阀的口径和法兰尺寸一样就可以随便选用。这是不对的。蒸汽锅炉上必须使用全启式安全阀，它具有排放量大、开启迅速、关闭迅速的特点，适合蒸汽锅炉一旦超压能达到迅速泄压的目的。在蒸汽锅炉上不能使用微启式安全阀，以前发现这两种安全阀经常混用。
第六章 结语
1 随着燃气蒸汽锅炉的广泛应用, 各种设计方法将日益完善, 锅炉的结构和技术设备也不断改进, 各种安全保护措施也会日益加强。可燃冰燃气蒸汽锅炉在我国作为一种新生事物正蓬勃发展, 并已显示出极其广阔的应用前景。
2 部分地区燃气分销商投入建设天然气电厂积极性很高，4-5 年可收回成本； 经济发达地区环保要求高，电力集团出于圈地考虑也积极投入天然气发电 项目；关键设备如燃气轮机多为国外厂商垄断，未来边际增量不高，关注能从事天然气分布式能源的设备商。
2.1 40万KW 燃气电厂建设费20亿元（大型电厂 5000 元/千瓦），20% 为自有资金投入为4亿元，建成后电厂可以自负盈亏不用再投入；每立方米管输费 0.3 元，则燃气分销商每年可赚 0.84 亿元，5年左右收回电 厂投入资金。
2.2中国燃气轮机制造水平远落后于世界水平，目前重型燃气轮机和汽轮机 被 GE 、西门子和三菱及其合营厂商垄断，且集中式发电设备市场增长 潜力不大；分布式能源所需要的轻型/微型燃气轮机主要依赖进口，国内 厂商项目经验少，期待“十二五”期间能够国产化。 参考文献
[1] 赵钦新. 燃油燃气锅炉结构设计及图册[M]. 西安:西安交通大学出版社，2001.
[2] 赵钦新, 惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安:西安交通大学出版社，1999.
[3] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社，2003.
[4] 关金峰 发电厂动力部分 中国电力出版社，2007
[5] 袁隆基, 丁 艳 小型燃气蒸汽锅炉的设计研究，煤矿机械第29卷第2期2008